Interactions between deforestation and atmospheric composition on the climate of Amazônia and Cerrado and their consequences to agriculture

Abstract

razilian crop production has managed to grow expressively in the last 15 years with relatively little conversion of natural vegetation. Deforestation in the major Brazilian biomes however is still far from zero, and rates have been going up with the recent dismantling of public environmental governance (EG). Deforestation leads to changes in regional climate, which along with global climate change affects crop yields, often negatively. EG can benefit production by minimizing these effects. This thesis investigates how interactions between deforestation-induced and global climate change can affect Brazilian double cropping systems. These systems in Brazil play an important role on global grain production. Although modelling studies have suggested that they can be severely affected by global climate change, there’s little empirical understanding of their sensitivity to climate. Chapter 1 examines how past climate variability affected municipality-level statistics of soybeans and second crop maize yields and double cropping adoption, and evaluate the impacts of projected global changes in climate. Double cropping in parts of Brazil with strong precipitation seasonality is more likely to occur when the rainy season is larger than 200 days, with no DC in municipality-years below 150 days. CMIP6 models project years with the rainy season shorter than 200 days to be more likely by 2035-2050 under the SSP2-4.5 scenario in key double cropping regions in central Brazil. Soybean yields are projected to decline by ~12%, a result that is not substantially affected by yield model specification. Second crop maize yields are found to be less sensitive to changes in climate than soybeans, with no significant impacts on the country average. However, models that explicitly account for vapor pressure deficit project substantial (>10%) impacts on second crop maize yields in regions with projected rainy season shortening. Chapter 2 uses a fully coupled climate system model and the empirical yield models from Chapter 1 to evaluate how different plausible EG futures can affect the Brazilian production of soybeans and 2nd crop maize. We perform simulations combining two land use scenarios representing different levels of EG and two global climate change scenarios (RCPs 2.6 and 8.5). We find that soybean yields are negatively affected in all scenarios, but differences in EG can impact yields as much as differences in atmospheric composition (RCPs). Stronger environmental governance can prevent soybean production losses equivalent to 442-527 million USD year -1 in the Amazon and 670-1347 million USD year -1 in the Cerrado by 2050, up to 10% of projected production. Collectively, Brazilian soybean farmers have much to gain with better environmental governance and it would be in their interest to enforce and even extend private zero-deforestation agreements in the Amazon and Cerrado biomes. Keywords: Double cropping. Statistical crop model. Climate change. Brazil. Deforestation. Biogeophysical climate change. Land use and land cover change. Earth system modelsA produção de grãos no Brasil cresceu expressivamente nos últimos 15 anos com relativamente pouca conversão de vegetação natural. Porém, taxas de desmatamento nos principais biomas brasileiros ainda estão longe de zero, e vem crescendo com o recente desmantelamento da governança ambiental (GA) pública. O desmatamento leva a mudanças no clima regional, que juntamente com mudanças climáticas globais afetam a produtividade agrícola. Uma boa governança ambiental pode beneficiar a produção agrícola minimizando esses efeitos. Esta tese investiga como interações entre mudanças climáticas globais e induzidas pelo desmatamento podem afetar os sistemas de dupla safra no Brasil. Esses sistemas tem um papel importante na produção mundial de grãos. Apesar de estudos de modelagem sugerirem que eles podem ser severamente afetados por mudanças climáticas globais, ainda há pouca compeensão empírica de sua sensibilidade ao clima. O Capítulo 1 examina como variações no clima passado afetaram a produtividade de soja e milho segunda safra e a adoção de dupla safra por município, e avalia os impactos de projeções de mudanças climáticas globais nesses sistemas. A adoção de sistemas de dupla safra em regiões do Brasil com forte sazonalidade da precipitação ocorre com mais frequência onde a estação chuvosa dura mais de 200 dias, e não foi observada em nenhum município e ano onde ela durou menos de 150 dias. Modelos do CMIP6 indicam que anos com a estação chuvosa menor que 200 dias ocorrerão com mais frequência em 2035-2050 no cenário SSP2-4.5 em regiões chave que praticam dupla safra no Brasil. A produtividade de soja deve diminuir ~12% no mesmo período, um resultado que não é afetado substancialmente pela escolha de especificação dos modelos. A sensibilidade da produtividade de milho segunda safra ao clima parece ser menor do que a de soja, com impactos médios no país não sendo estatisticamente significativos. Porém, modelos que explicitamente consideram o efeito do déficit de pressão de vapor indicam impactos substanciais (>10%) em regiões onde a estação chuvosa deve se encurtar. No Capítulo 2, um modelo acoplado do sistema climático é usado em combinação com os modelos de produtividade estimados no Capítulo 1 para avaliar como diferentes futuros plausíveis da governança ambiental no Brasil podem afetar a produção de soja e milho segunda safra usando cenários de uso do solo representando dois níveis de GA e dois cenários de mudanças climáticas globais (RCPs 2.6 e 8.5). A produtividade de soja é negativamente afetada em todos os cenários, mas diferenças entre cenários de GA podem afetar a produtividade tanto quanto diferenças entre os RCPs. Uma governança ambiental mais forte pode prevenir perdas de produção de soja equivalentes a 442-527 milhões de USD por ano na Amazônia e 670-1347 milhões de dólares por ano no Cerrado, até 10% da produção total projetada para 2050. Coletivamente, produtores de soja brasileiros tem muito a ganhar com uma governança ambiental forte, e seria do interesse deles aplicar ou até expandir acordos de desmatamento zero na Amazônia e no Cerrado. Palavras-chave: Sistemas de dupla safra. Safrinha. Modelo de produtividade. Mudanças climáticas. Desmatamento. Efeitos biogeofísicos no clima. Mudança de uso e cobertura do solo. Modelos do sistema terrestre